复杂内边界长距离输水明渠的一维非恒定流数学模型

大型跨流域调水工程。通常具有输水线路长、沿程过水建筑物类型和数量多的特点。节制闸、分水口及倒虹吸、渡槽等建筑物与水流的复杂作用，造成了长距离输水明渠非恒定流模拟的困难。建立了复杂内边界长距离输水明渠的一维非恒定流数学模型。模型定义和模化了节制闸、倒虹吸和多孔并联渡槽等3种类型的内边界条件，实现了对输水明渠水力过渡过程中水位、流量大幅度变化的无间断连续模拟。模型应用于南水北调中线一期工程总干渠全线和单个闸门的模拟分析。验证了模型的合理性。结果表明，模型能够模拟多内边界复杂输水渠道的水力响应过程，可作为南水北调中线一期工程等跨流域大型明渠输水工程的模拟工具。     

上游常水位自动控制渠道明渠非恒定流动态边界条件

本文在分析灌溉渠道上游常水位闸门（即ＡＭＩＬ门）动态过程的基础上，建立了以闸门运动为动态边界条件的明渠非恒定流计算模型。通过对闸门动态过程数学模型的拉氏变换、Ｚ变换和Ｚ反变换，列出了描述闸门运动受水位变动影响的差分方程，将其与描述明渠非恒定流的一维计算模型互为边界条件，用非耦合算法计算，可以预报系统的过渡过程，为渠道和闸门的合理设计提供依据。     

明渠流水击现象基本理论探讨

从一维明渠非恒定流基本方程组出发,采用特征线法进行数值离散,探讨了明渠流水击现象的基本理论。以南水北调中线工程总干渠某段明渠为例,计算分析了设计流量和加大流量下进、出口节制闸同时关闭时的水位最大壅高值。指出:明渠流中亦存在水击现象,这种水击可划分为直接水击和间接水击,水击的出现类型与断面水力要素及渠长有关。     

闸门对水力过渡特性影响研究

结合南水北调中线输水工程实际,采用显式的特征线法求解明渠和有压管道的圣维南方程。在长距离输水问题中,模拟段包含多个控制闸门。提出闸门处的水力过渡连接模型,在已有的两个特征方程的基础上补充闸孔出流公式和流量连续条件,分析闸门运行对渠道中水流的影响。利用窄缝法将明渠和暗管水流进行统一求解,采用变时步法克服扰动波在明渠和暗管中传播速度相差悬殊而导致的时间步长不协调问题。在明渠和暗管的连接处考虑水流的局部水头损失,更好地反应了非恒定流中扰动的传播特性。实际模拟输水渠道具有多个控制闸门和退水闸门的问题,分析了闸门对渠道中非恒定流的影响。     

南水北调中线干渠弧形闸门过流能力校核分析

精确的计算过闸流量十分重要,它可以保障渠道保质保量的配水,确保渠道安全运行。基于现有南水北调中线工程总干渠的设计资料,按照弧形闸门闸孔淹没出流的计算原理,应用现行的几种计算弧形闸门过闸流量的公式对南水北调中线总干渠节制闸的过流能力进行计算,并将其结果和设计流量、加大流量进行比较和分析,结果显示部分闸门的过闸流量达不到其渠段设计流量,得出如果按设计流量调水时,渠道的设计流量无法通过闸门,从而导致渠道有漫顶危险的结论。总结了在计算过程中误差存在的原因,并给出了加大闸门宽度以确保实际工程运行安全和经济社会效益最大化的建议。     

弧形闸门开启过程非恒定流流量系数研究

为探究非恒定流流量系数特点,采用RNG k-ε紊流模型结合动网格技术对某工程Y形宽尾墩表孔弧形闸门开启过程进行了三维动态数值模拟研究,根据过闸流量滞后的特点,将闸后水流分为滞后式、过渡式和平稳式3种流态。分析了闸门开启过程中水流流态及非恒定流流量系数与闸门开启速度和溢流堰顶水头的关系,指出非恒定流流量系数随闸门开启速度的加快及堰顶水头的降低而减小,并给出不同开启速度和堰顶水头情况下适于过渡式及平稳式水流的流量系数经验公式。部分结果与试验结果进行对比,吻合良好,验证了数值方法的可靠性。     

设置保水堰管涵输水系统的水力瞬变数值仿真

为研究大型调水工程的水力瞬变过程，采用明渠非恒定流方程及Preissiman方法模拟无压管涵非恒定流、有压管涵水击和明满交替流，提出了设置保水堰的长距离管涵输水系统的水力学仿真模型。所建立的数值模型可模拟包括管涵明满交替和保水堰跌水等复杂的水流现象。数值仿真结果表明，在检修闸门和下游管涵之间设置保水堰，可以调节输水管道内的压力，避免紧急启闭时发生液柱分离以及检修闸门突然关闭时因明满流交替而产生强烈的冲击水压。     

明渠结合有压管调水系统的水力瞬变计算

研究了明渠结合有压管调水系统水力瞬变的数值模拟，采用明渠非恒定流基本方程同时描述明渠的非恒定流和管道的有压汉，对有压流动采用了窄缝法求解，此外，研究了用非恒定流计算方法求解恒定流动，并提出了保证数值计算收敛的措施和方法，作为应用，模拟计算了正在修建的东深供水改造工程的恒定流和水力瞬为流。     

明渠恒定非均匀渐变流设计断面简易计算方法

在明渠恒定均匀流流量公式的基础上,推导明渠恒定非均匀渐变流流量近似计算公式,并应用于淮北平原水利连通工程河道断面设计。利用HEC程序试算设计断面的过流能力,验证明渠恒定非均匀渐变流计算公式精度满足要求,且计算简单方便,可应用于工程设计。     

弧形闸门过闸流量公式比较分析

根据南水北调中线工程总干渠对精确计算过闸流量的需要,对现行的几种计算过闸流量的公式针对南水北调中线工程总干渠渠道尺寸进行模拟比较,并分析了各个公式的来源、应用条件的差异.提出了在计算过闸流量时需要注意的问题,需要进一步研究的方向等.认为准确计量工程中的过闸流量需要根据实际工程的闸门大小,渠道类型,渠道是否与闸门等宽,过渡段形式,是否有底槛等方面对经验过闸流量公式进行校准.     

长距离明渠调水工程数值仿真平台研究

大型跨流域调水工程,通常具有输水线路长、沿程过水建筑物类型和数量多的特点,建模过程复杂.文章提出的虚拟连接模块的概念,解决了各模块间的连接问题,实现了自适应建模,在此基础上建立了具有自适应建模的、图形化输入和数据库输入相结合的数值仿真平台.该模拟平台可以减少建模错误的发生,提高建模工作效率.鉴于过闸流态的多样性及其流态之间的过渡,给出了堰闸过渡态模拟的处理方法,实现了输水明渠水力过渡过程中水位、流量大幅度变化的无间断连续模拟.模型应用于南水北调中线工程总干渠京石段应急工况的特性研究,分析表明该模型模拟结果与原型观测结果吻合甚好,因此,文章提出的模拟平台能够模拟复杂输水渠道的水力响应过程,可作为南水北调中线工程等跨流域大型明渠输水工程的模拟仿真平台.     

大型输水渠道退水口的退水能力研究

选取南水北调中线工程输水干渠中的澎河和澧河退水闸,采用一维非恒定计算软件,模拟计算各种紧急情况下干渠中的非恒定流态,对其退水能力进行分析和校核。结果表明:渠段两端闸门同时紧急关闭且退水闸不启用时,渠段中的水面会发生长时间的振荡。同时关闭草墩河和澎河节制闸以及该渠段间的分水口时,在设计流量下,即使不开启退水闸,也不会引起渠道漫溢;在加大流量的情况下,澎河退水闸和澧河退水闸必须同时启用至少3 h才能有效避免漫溢事故的发生。所关闭的两个节制闸间的渠段越长,退水闸运行的时间也越长。     

长距离输水渠道超高设计研究

我国现行的工程设计规范中,对输水渠道的超高设计标准适应性不强,难以适应长距离、大流量的输水渠道超高设计。现代渠道设计中普遍采用了节制闸控制技术,水流控制过程会引起水位波动,在以往的超高设计中水流涌波考虑较少。从非恒定流角度,对渠道超高的主要影响因素进行了分析和实例计算,提出了有节制闸控制的长距离输水渠道超高设计公式和方法,可供渠道设计时参考。     

导流洞改作发电尾水洞过渡过程中明满流的数学模型

本文在总结前人研究成果的基础上，系统地考虑了导流洞改作发尾电水洞内明满流体特有的初始状态和边界条件的影响，对洞内共留空气和进，排气过程作了精心处理，应用有压不恒定流基本方程和理想气体状态方程建立了数学模型；通过大量计算与水力学模型试验对比，表明该数学模型是合理的，为类似工程设计提供了理论依据，具有实际的参考价值。     

大型串联渠系冰塞-水力响应特性分析

为了定性定量描述南水北调中线工程冰塞特征与水力响应特性之间的耦合关系,采用数值模拟方法,建立了串联渠系冰塞事件-水力响应-闸门操作耦合响应模型,通过多工况对比揭示冰塞体范围、厚度和输水流量及闸门群应对方式等造成的渠系水力响应规律。研究结果表明：闸门群耦合响应下,发生冰塞事件的渠池仅影响其上游渠池的水力过程,对于发生冰塞事件的渠池,其冰塞体上游段水位壅高,下游段水位降低,而该渠池上游所有渠池水位整体降低;闸门群无响应时,冰塞可造成渠系放空风险,而PI控制器作用下的闸门群调度可明显改善渠系应对冰塞事件的水力响应,水位波动幅度随冰塞体和输水流量的增大而不断增大,在模拟工况下,闸前最大水位偏差达0.5 m,输水目标恢复时间约20 h,在冰塞体足够大时,渠系面临漫堤风险。做好渠池风险评估和优化冰塞事件应对控制器是下一步研究的重点。     

地表河网-地下水流系统耦合模拟Ⅰ：模型

本文通过采用联立求解地表河流一维明渠非恒定渐变流与地下水拟三维非稳定流运动方程的技术路线，提出了地表河网与地下水流耦合模拟算法。该算法中地表河网流动分别由质量和动量守恒定律而建立的连续性方程和运动方程所组成；地下水流采用多层“拟三维”非稳定流模型，通过彼此间的水力联系，建立了地表河网-地下水流耦合模拟评价模型，该模型可用于地表水与地下水转化关系较为密切地区的水资源综合评价预测中。